Công nghệ nanodiamond lượng tử giúp phát hiện sớm bệnh tật

     Khả năng cảm biến lượng tử của nanodiamond (nano kim cương) có thể được sử dụng để cải thiện độ nhạy của các test chẩn đoán bằng giấy, cho phép phát hiện sớm các loại bệnh tật trong đó có HIV/AIDS và Covid-19. Đây là một nghiên cứu mới được các nhà khoa học thuộc Đại học London, Anh Quốc công bố trên tạp chí danh tiếng Nature.

     Các bộ test xét nghiệm bằng giấy hoạt động theo cơ chế “lateral flow” (dòng chảy ngang) đã được sử dụng rộng rãi trong các loại que thử thai hoặc test phát hiện protein hay DNA của virus, trong đó một dải giấy được ngâm trong dịch mẫu và sự thay đổi màu sắc hoặc tín hiệu huỳnh quang sẽ cho biết một kết quả dương tính. Loại test xét nghiệm này có thể giúp phát hiện các chủng virus từ HIV đến SAR-CoV-2 (các test xét nghiệm dòng chảy ngang để phát hiện Covid-19 hiện đang được thử nghiệm ở Anh) và có thể cho kết quả chẩn đoán nhanh, vì không cần phải thực hiện trong các labo chuyên dụng.

     Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học đã sử dụng đặc tính lượng tử của kim cương nano được tạo ra với một khuyết điểm chính xác. Sự khiếm khuyết trong cấu trúc có độ đồng đều cao của một hạt kim cương sẽ tạo ra cái gọi là “tâm trống nitrogen” [nitrogen-vacancy (NV) centre], hay tâm NV. Các tâm NV có rất nhiều ứng dụng tiềm năng, từ đánh dấu sinh học huỳnh quang sử dụng để chụp ảnh với độ nhạy siêu cao đến xử lý thông tin ở cấp độ bit lượng tử (qubit) trên các máy tính lượng tử.

     Các tâm NV có thể phát hiện được sự hiện diện của một kháng nguyên hoặc một loại phân tử đích khác bằng cách phát ra một loại ánh sáng huỳnh quang rất sáng. Trước đây, các chất đánh dấu huỳnh quang bị giới hạn bởi huỳnh quang nền từ mẫu thử hoặc dải giấy xét nghiệm, do đó khó có thể phát hiện được protein hoặc DNA của virus ở các nồng độ thấp. Tuy nhiên, đặc tính lượng tử của các nano kim cương huỳnh quang cho phép những bức xạ chúng phát ra được điều chỉnh một cách chọn lọc, tức là tín hiệu có thể được giữ cố định ở một bộ tần số thông qua một trường vi sóng và có thể dễ dàng tách khỏi huỳnh quang nền. Điều này giúp khắc phục được hạn chế nêu trên.

     Các kết quả quang học cho thấy kỹ thuật mới này có độ nhạy cao gấp hàng trăm ngàn lần so với kỹ thuật sử dụng các tiểu phân nano vàng như trước đây (tức là số lượng tiểu phân nano cần để tạo ra tín hiệu có thể phát hiện được là nhỏ hơn rất nhiều). Với bước khuếch đại trong thời gian ngắn khoảng 10 phút ở nhiệt độ hằng định (để các bản sao RNA nhân lên), các nhà khoa học có thể phát hiện được RNA của virus HIV ở mức 1 phân tử trong một mẫu thử. Với độ nhạy cao hơn rất nhiều, kỷ thuật mới cho phép phát hiện những tải lượng virus thấp hơn, đồng nghĩa với việc xét nghiệm có thể phát hiện được những mức thấp hơn của bệnh hay lúc bệnh đang còn ở giai đoạn sớm. Điều này là cực kỳ quan trọng trong giảm thiểu nguy cơ lây nhiễm bệnh và góp phần trong điều trị hiệu quả nhiều loại bệnh truyền nhiễm.

     Nghiên cứu này được triển khai ở quy mô phòng thí nghiệm, tuy nhiên, các nhà khoa học hy vọng sẽ phát triển được các test xét nghiệm có thể cho kết quả đọc được bằng điện thoại thông minh hoặc các thiết bị đọc huỳnh quang cầm tay khác. Điều này có nghĩa là trong tương lai, các xét nghiệm có thể được thực hiện ở quy mô sử dụng nguồn lực thấp và dễ tiếp cận hơn nhiều.

Hình minh họa ứng dụng của nanodiamond huỳnh quang (FND) trong các test xét nghiệm dòng chảy ngang (LFA). (Nguồn: Nature)

ThS. Trần Thái Sơn (Theo ScienceDaily)